引言
在雷達接收機的測試和維護中，經常需要對數據進行采集，然后將采集到的數據送入計算機進行分析處理。鑒于對數據實時采集的需求，對采集系統提出三方面的要求：第一，接口簡單靈活且有較高的數據傳輸率；第二，采集的數據能夠快速處理并能方便提取原始數據；第三，數據采集裝置具備多路數據采集能力。對于一些特殊應用，甚至需要整個數據采集系統能夠方便攜帶。
傳統的數據采集系統大多通過PCI總線完成數據的傳輸，但PCI總線存在嚴重缺陷：受限于計算機插槽數量和中斷資源；不便于連接與安裝；易受機箱內電磁環境的影響。這些問題遏制了基于PCI總線的數據采集系統的進一步開發和應用。因此，需要一種更為簡便通用的方式來完成采集系統和計算機的數據的交互。
考慮到現代計算機上大都配備了USB接口，且USB支持即插即用，安裝方便，易于擴展，USB2.0能夠達到480Mb/s的理論傳輸速度，非常適合在高速數據采集系統中應用。因此，通過USB接口來完成數據傳輸是一個很好的替代方案。出于上述考慮，筆者設計了一個基于USB2.0接口的高速數據采集系統，通過實際測試，該系統可以很好的完成數據采集的功能。
數據采集系統電路設計
高速數據采集系統框圖如圖1所示。系統整體的設計思路如下：計算機將采集指令(包括數據格式，數據長度，FPGA控制指令等)送給USB控制芯片，USB控制芯片通過固件程序對指令進行簡單的格式判定，然后將判定后正確的指令送給FPGA，FPGA對指令進行譯碼，獲得需要采集的數據的長度，以及采集的地址和控制信號，控制RAM來完成數據的采集存儲。雷達接收機送過來的數據和時鐘信號經過長線接收器組以后，由差分信號變為普通的數字信號，時鐘信號送入FPGA，經過處理后，用來控制數據的采集時刻，數據先存入RAM，待完成所需數目的采集以后，再通過USB控制芯片送給計算機，完成數據的后期處理和顯示。
圖1 高速數據采集系統框圖
圖2為FPGA與USB控制芯片的連接圖，電路中FPGA選用EP1C3T144C8，USB控制芯片選用Cypress 公司的CY7C68013。USB_Ready 為USB芯片狀態標志，低電平有效；FPGA_Ready為FPGA芯片狀態標志，低電平有效；USB_Clk為USB向FPGA傳送指令的指令時鐘，USB_Data 為USB傳送給FPGA的控制指令；FD[15:0]為USB 與FPGA交互的數據。
圖2 FPGA與USB控制芯片的電路連接圖
FPGA與USB芯片之間的通信流程如下：
1、FPGA發送FPGA_Ready信號給USB控制芯片，表示FPGA準備好；
2、USB控制芯片發送USB_Ready信號給FPGA，表示在USB_Ready為低電平期間將有控制指令傳送；
3、USB控制芯片由Send_CLK發送時鐘信號，同時由Send_DATA發送控制指令給FPGA，控制指令在時鐘信號上升沿有效；
4、FPGA收到控制指令，執行相應動作。FPGA發送各種控制時序信號和RAM地址，把I路、Q路數據存在RAM里，而后將數據讀到FPGA，再通過FD[15：0]以字的形式傳給USB控制芯片的從屬FIFO端點EP8緩沖區，由PC機讀取。
數據采集系統軟件設計
系統軟件主要分為FPGA 模塊設計程序，USB 固件程序，以及上層應用軟件程序。
FPGA模塊編程
系統采用Altera 公司的Cyclone系列的FPGA芯片，采用Verilog HDL 作為開發語言，開發環境采用Quartus II 5.0。
在系統的FPGA軟件設計過程中，根據功能的需要，將整個系統分為了三個大的模塊來設計，分別為：時鐘、控制指令輸出模塊，數據采集、存儲模塊，USB數據傳輸模塊。時鐘、控制指令輸出模塊對輸入的時鐘進行整形，形成數據采集時鐘，同時，輸出22位控制電平信號；數據采集、存儲模塊對輸入的數據進行采集并存儲在存儲器里；USB數據傳輸模塊讀取存儲器里的數據并把數據輸出至USB的FIFO里。
USB 固件程序
固件程序即為寫入USB單片機中的程序，它是設備運行的控制中樞．Cypress公司提供了固件架構，用戶可以利用這一架構簡化固件開發。固件設計架構是由Keil C51編譯器與其整合開發工具編寫和構建的．在程序開始時，固件架構會執行下列步驟：
1) 設置所有內部狀態變量的初始值。
2) 調用用戶的初始設置函數TD_Init( )，待返回后，固件架構就會將USB接口設置為未配置的狀態。
3) 在1s的時間間隔內，開始重新進行設備列舉，直到設置封包收到端點0為止。
4) 當SETUP封包被檢測到后，固件架構就會啟動工作分配器，而這個工作分配器就會按順序重復地執行下面的工作：
A: 調用用戶函數TD_Poll( )。
B: 是否決定標準設備請求是未定(或等待決定)的。如果已決定，它將會分析所收到的命令請求，并且加以響應。
C: 是否決定USB核心已經報告了USB中止(Suspend)事件。如果已決定，它會調用用戶函數TD_Suspend()。
若取得成功的返回，則測試回復(Resume)事件。反之，如果未檢測到，將會把微處理器放人中止模式中。當回復事件被檢測到時，將調用用戶函數TD_Resume( )，并且連續地跳回至步驟C。
D: 若從TD_Suspend()函數中未收到成功的返回，再連續地跳至步驟C。
實際上Cypress公司提供的這個固件框架已經能夠使USB芯片正常的工作，但是，它并不能滿足本系統的需要。需要添加自己的控制代碼來控制USB芯片，使之能夠完成需要的工作。
框架程序中為提供了兩個函數TD_Init( )，TD_Poll( )，根據上面的分析發現，這兩個函數分別完成了系統的初始化工作和系統的用戶期望工作。在此采集系統中，只需要修改這兩個函數，添加自己的功能函數，即可完成系統需要的功能。
在TD_Init( )中，需要添加自己的代碼來完成系統的初始化，因為系統采用了2端點和6端點的批量讀寫功能，所以，將2端點配置單緩沖區512字節，兩倍緩沖區，作為In端點，將6端點配置為單緩沖區512字節，兩倍緩沖區，作為Out端點，配置系統為異步Slave FIFO 模式。
在TD_Poll( )中，通過檢測2端點和6端點緩沖區數據的狀態，來及時的讀取這兩個緩沖區中的數據，然后調用自己定義的函數DecodeInst( ), ImplementInst( )來完成對于控制指令的譯碼和執行工作。
驅動程序
基于EZ-USB FX2的二次枚舉的特性，需要編制兩個驅動程序：一個驅動程序loader.sys，它將在主機上編寫好的固件程序在主機系統啟動時下載至FX2的RAM中；另一個驅動程序USBBULK.sys為實際安裝的驅動程序。另外，為實現在系統啟動時，自動安裝兩次驅動程序，還需編寫自己的ezloader.inf文件實現。loader.sys需要自己編寫生成，USBBULK.sys可使用CYPRESS公司的通用驅動程序。
用戶程序
用戶程序是系統與用戶的接口，它通過通用驅動程序完成對外設的控制和通信。在編寫用戶程序時，首先要建立與外設的連接，然后才能實施數據的傳輸。啟動采樣后，為了保證不丟失數據，用戶程序應建立一個新的工作線程專門獲取外設傳來的數據。程序中主要用到兩個API函數：CreateFile()和DeviceIoControl()。CreateFile()取得設備句后,DeviceIoControl()根據該句柄完成數據傳輸。
系統通過DeviceIoControl()完成的工作如下：
數據批量讀，數據批量寫。
結語
為了驗證本系統采集數據的準確性，利用信號源產生的正弦波信號對系統進行驗證。測試結果如圖3所示。
圖3 測試結果
通過實際測量，該系統測量數據與實際情況完全符合，單通道采樣速率最高可達到10Mbps。
整個采集系統由USB2.0數據傳輸、FPGA、邏輯電路、和計算機等組成，通過對該系統的硬件電路設計和軟件編程分析，以及實際測量結果的比較，證明了該系統的可行性。由于采用高速USB2.0接口，本系統具有即插即用、高速采集等特點，具有很好的擴展性。該采集系統已經在雷達接收機的測試系統中得到應用。